Els electròlits com a substàncies químiques es coneixen des de l'antiguitat. No obstant això, fa relativament poc temps que han conquerit la majoria de les seves àrees d'aplicació. Parlarem de les àrees de màxima prioritat perquè la indústria utilitzi aquestes substàncies i esbrinarem quines són aquestes últimes i en què es diferencien entre elles. Però comencem amb una digressió a la història.
Història
Els electròlits més antics coneguts són sals i àcids descoberts al món antic. No obstant això, les idees sobre l'estructura i les propietats dels electròlits han anat evolucionant amb el temps. Les teories d'aquests processos han evolucionat des de la dècada de 1880, quan es van fer una sèrie de descobriments relacionats amb les teories de les propietats dels electròlits. Hi ha hagut diversos s alts qualitatius en les teories que descriuen els mecanismes d'interacció dels electròlits amb l'aigua (al cap i a la fi, només en dissolució adquireixen les propietats per les quals s'utilitzen a la indústria).
Ara analitzarem amb detall diverses teories que han tingut més influència en el desenvolupament d'idees sobre els electròlits i les seves propietats. I comencem per la teoria més comuna i senzilla que cadascú de nos altres va fer a l'escola.
Teoria d'Arrhenius de la dissociació electrolítica
el 1887El químic suec Svante Arrhenius i el químic rus-alemany Wilhelm Ostwald van crear la teoria de la dissociació electrolítica. Tanmateix, aquí tampoc tot és tan senzill. El mateix Arrhenius era partidari de l'anomenada teoria física de les solucions, que no tenia en compte la interacció de les substàncies constituents amb l'aigua i argumentava que hi ha partícules carregades lliurement (ions) a la solució. Per cert, és des d'aquestes posicions que la dissociació electrolítica es considera avui a l'escola.
Parlem encara del que dona aquesta teoria i de com ens explica el mecanisme d'interacció de les substàncies amb l'aigua. Com tothom, té diversos postulats que utilitza:
1. Quan interacciona amb l'aigua, la substància es descompon en ions (positiu - catió i negatiu - anió). Aquestes partícules s'hidraten: atrauen molècules d'aigua que, per cert, estan carregades positivament per un costat i negativament per l' altre (formen un dipol), com a resultat, es formen en complexos aquàtics (solvats).
2. El procés de dissociació és reversible, és a dir, si la substància s'ha trencat en ions, llavors sota la influència de qualsevol factor pot tornar a convertir-se en l'original.
3. Si connecteu els elèctrodes a la solució i inicieu un corrent, els cations començaran a moure's cap a l'elèctrode negatiu, el càtode, i els anions cap a l'ànode carregat positivament. És per això que les substàncies que són altament solubles en aigua condueixen l'electricitat millor que l'aigua mateixa. També s'anomenen electròlits pel mateix motiu.
4. El grau de dissociació de l'electròlit caracteritza el percentatge de la substància que s'ha dissolt. Aixòl'indicador depèn de les propietats del dissolvent i del propi solut, de la concentració d'aquest i de la temperatura externa.
Aquí, de fet, i tots els postulats bàsics d'aquesta teoria senzilla. Els utilitzarem en aquest article per descriure què passa en una solució d'electròlits. Analitzarem exemples d'aquests compostos una mica més endavant, però ara considerarem una altra teoria.
Teoria de Lewis dels àcids i les bases
Segons la teoria de la dissociació electrolítica, un àcid és una substància en la qual hi ha un catió hidrogen, i una base és un compost que es descompon en un anió hidròxid en solució. Hi ha una altra teoria que porta el nom del famós químic Gilbert Lewis. Permet ampliar una mica el concepte d'àcid i base. Segons la teoria de Lewis, els àcids són ions o molècules d'una substància que tenen orbitals d'electrons lliures i són capaços d'acceptar un electró d'una altra molècula. És fàcil endevinar que les bases seran partícules que són capaços de donar un o més dels seus electrons a l'"ús" de l'àcid. És molt interessant aquí que no només un electròlit, sinó també qualsevol substància, fins i tot insoluble en aigua, pot ser un àcid o una base.
Teoria protolítica de Brandsted-Lowry
L'any 1923, independentment l'un de l' altre, dos científics - J. Bronsted i T. Lowry - van proposar una teoria que ara és utilitzada activament pels científics per descriure processos químics. L'essència d'aquesta teoria és aixòla dissociació es redueix a la transferència d'un protó d'un àcid a una base. Així, aquest últim s'entén aquí com un acceptor de protons. Llavors l'àcid és el seu donant. La teoria també explica bé l'existència de substàncies que presenten les propietats tant d'àcids com de bases. Aquests compostos s'anomenen anfòteres. A la teoria de Bronsted-Lowry, el terme amfòlits també s'utilitza per a ells, mentre que els àcids o les bases solen anomenar-se protòlits.
Hem arribat a la següent part de l'article. Aquí us explicarem com es diferencien els electròlits forts i febles entre si i parlarem de la influència dels factors externs en les seves propietats. I després començarem a descriure la seva aplicació pràctica.
Electròlits forts i febles
Cada substància interacciona amb l'aigua individualment. Alguns s'hi dissolen bé (per exemple, sal de taula), mentre que d' altres no es dissolen en absolut (per exemple, guix). Així, totes les substàncies es divideixen en electròlits forts i febles. Aquestes últimes són substàncies que interaccionen malament amb l'aigua i s'instal·len al fons de la solució. Això vol dir que tenen un grau de dissociació molt baix i una gran energia d'enllaç, que en condicions normals no permet que la molècula es descomposi en els seus ions constitutius. La dissociació dels electròlits febles es produeix o bé molt lentament o amb un augment de la temperatura i la concentració d'aquesta substància en solució.
Parlem d'electròlits forts. Aquests inclouen totes les sals solubles, així com àcids i àlcalis forts. Es descomponen fàcilment en ions i és molt difícil recollir-los en precipitació. El corrent dels electròlits, per cert, es condueixprecisament pels ions continguts en la solució. Per tant, els electròlits forts condueixen el corrent el millor de tot. Exemples d'aquests últims: àcids forts, àlcalis, sals solubles.
Factors que afecten el comportament dels electròlits
Ara anem a esbrinar com els canvis en el medi extern afecten les propietats de les substàncies. La concentració afecta directament el grau de dissociació dels electròlits. A més, aquesta proporció es pot expressar matemàticament. La llei que descriu aquesta relació s'anomena llei de dilució d'Ostwald i s'escriu de la següent manera: a=(K / c)1/2. Aquí a és el grau de dissociació (pres en fraccions), K és la constant de dissociació, que és diferent per a cada substància, i c és la concentració de l'electròlit a la solució. Amb aquesta fórmula, podeu aprendre molt sobre la substància i el seu comportament en solució.
Però ens desviem. A més de la concentració, el grau de dissociació també es veu afectat per la temperatura de l'electròlit. Per a la majoria de substàncies, augmentar-la augmenta la solubilitat i la reactivitat. Això pot explicar l'aparició d'algunes reaccions només a temperatures elevades. En condicions normals, van molt lentament o en ambdues direccions (aquest procés s'anomena reversible).
Hem analitzat els factors que determinen el comportament d'un sistema com una solució d'electròlits. Ara passem a l'aplicació pràctica d'aquests, sens dubte, productes químics molt importants.
Ús industrial
Per descomptat, tothom ha sentit la paraula "electròlit"en relació a les bateries. El cotxe utilitza bateries de plom-àcid, l'electròlit en el qual és un 40% d'àcid sulfúric. Per entendre per què aquesta substància és necessària allà, val la pena entendre les característiques de les bateries.
Quin és el principi de qualsevol bateria? En ells, es produeix una reacció reversible de transformació d'una substància en una altra, com a resultat de la qual s'alliberen electrons. Quan es carrega la bateria, es produeix una interacció de substàncies, que no s'obté en condicions normals. Això es pot representar com l'acumulació d'electricitat en una substància com a resultat d'una reacció química. Quan comença la descàrrega, comença la transformació inversa, portant el sistema a l'estat inicial. Aquests dos processos junts constitueixen un cicle de càrrega-descàrrega.
Considerem el procés anterior en un exemple concret: una bateria de plom-àcid. Com podeu suposar, aquesta font actual consisteix en un element que conté plom (a més de diòxid de plom PbO2) i àcid. Qualsevol bateria consta d'elèctrodes i l'espai entre ells, ple només d'electròlit. Com a darrer, com ja hem descobert, en el nostre exemple, l'àcid sulfúric s'utilitza a una concentració del 40 per cent. El càtode d'aquesta bateria està fet de diòxid de plom i l'ànode de plom pur. Tot això és perquè en aquests dos elèctrodes es produeixen diferents reaccions reversibles amb la participació d'ions en els quals s'ha dissociat l'àcid:
- PbO2 + SO42-+ 4H+ + 2e-=PbSO4 + 2H2O(reacció que té lloc a l'elèctrode negatiu - càtode).
- Pb + SO42- - 2e-=PbSO 4 (Reacció a l'elèctrode positiu - ànode).
Si llegim les reaccions d'esquerra a dreta, obtenim els processos que es produeixen quan es descarrega la bateria, i si de dreta a esquerra, quan es carrega. En cada font de corrent químic, aquestes reaccions són diferents, però el mecanisme de la seva aparició generalment es descriu de la mateixa manera: es produeixen dos processos, en un dels quals els electrons "s'absorbeixen" i en l' altre, al contrari, " marxar". El més important és que el nombre d'electrons absorbits sigui igual al nombre d'electrons emesos.
En realitat, a més de les piles, hi ha moltes aplicacions d'aquestes substàncies. En general, els electròlits, exemples dels quals hem donat, són només un gra de la varietat de substàncies que es combinen sota aquest terme. Ens envolten a tot arreu, a tot arreu. Prenguem, per exemple, el cos humà. Creus que aquestes substàncies no hi són? Estàs molt equivocat. Es troben a tot arreu dins nostre, i la quantitat més gran són els electròlits de la sang. Aquests inclouen, per exemple, els ions de ferro, que formen part de l'hemoglobina i ajuden a transportar l'oxigen als teixits del nostre cos. Els electròlits de la sang també tenen un paper clau en la regulació de l'equilibri aigua-sal i la funció cardíaca. Aquesta funció la fan els ions potassi i sodi (fins i tot hi ha un procés que es produeix a les cèl·lules, que s'anomena bomba de potassi-sodi).
Qualsevol substància que puguis dissoldre fins i tot una mica són els electròlits. I no hi ha aquesta indústria i la nostra vida amb tu, onsiguin les que siguin aplicades. Això no és només bateries en cotxes i bateries. Això és qualsevol producció química i alimentària, plantes militars, fàbriques de roba, etc.
La composició de l'electròlit, per cert, és diferent. Per tant, és possible distingir l'electròlit àcid i alcalí. Difereixen fonamentalment en les seves propietats: com ja hem dit, els àcids són donants de protons i els àlcalis són acceptors. Però amb el temps, la composició de l'electròlit canvia a causa de la pèrdua d'una part de la substància, la concentració disminueix o augmenta (tot depèn del que es perdi, aigua o electròlit).
Ens trobem amb ells cada dia, però poca gent sap exactament la definició d'un terme com els electròlits. Hem tractat exemples de substàncies específiques, així que passem a conceptes una mica més complexos.
Propietats físiques dels electròlits
Ara sobre física. El més important a entendre quan s'estudia aquest tema és com es transmet el corrent en els electròlits. Els ions juguen un paper decisiu en això. Aquestes partícules carregades poden transferir càrrega d'una part de la solució a una altra. Per tant, els anions sempre tendeixen a l'elèctrode positiu i els cations al negatiu. Així, actuant sobre la solució amb un corrent elèctric, separem les càrregues en diferents costats del sistema.
Una característica física com la densitat és molt interessant. Moltes propietats dels compostos que estem discutint en depenen. I sovint apareix la pregunta: "Com augmentar la densitat de l'electròlit?" De fet, la resposta és senzilla: cal rebaixar el contingutaigua en solució. Com que la densitat de l'electròlit està determinada en gran mesura per la densitat de l'àcid sulfúric, depèn en gran mesura de la concentració d'aquest últim. Hi ha dues maneres de dur a terme el pla. El primer és ben senzill: bullir l'electròlit contingut a la bateria. Per fer-ho, cal carregar-lo perquè la temperatura interior pugi lleugerament per sobre dels cent graus centígrads. Si aquest mètode no ajuda, no us preocupeu, n'hi ha un altre: simplement substituïu l'electròlit antic per un de nou. Per fer-ho, escorreu la solució antiga, netegeu l'interior dels residus d'àcid sulfúric amb aigua destil·lada i, a continuació, aboqueu-hi una nova porció. Per regla general, les solucions d'electròlits d' alta qualitat tenen immediatament la concentració desitjada. Després de la substitució, podeu oblidar durant molt de temps com augmentar la densitat de l'electròlit.
La composició de l'electròlit determina en gran mesura les seves propietats. Característiques com la conductivitat elèctrica i la densitat, per exemple, depenen molt de la naturalesa del solut i de la seva concentració. Hi ha una pregunta separada sobre la quantitat d'electròlit que hi pot haver a la bateria. De fet, el seu volum està directament relacionat amb la potència declarada del producte. Com més àcid sulfúric dins la bateria, més potent és, és a dir, més voltatge pot produir.
On és útil?
Si ets un entusiasta dels cotxes o només t'agrada els cotxes, tu mateix ho entens tot. Segur que fins i tot sabeu com determinar quant electròlit hi ha a la bateria ara. I si estàs lluny dels cotxes, llavors coneixementLes propietats d'aquestes substàncies, les seves aplicacions i com interactuen entre elles no seran en absolut superflues. Sabent això, no us perdreu si us demanen que digueu quin electròlit hi ha a la bateria. Tot i que fins i tot si no sou un entusiasta dels cotxes, però teniu un cotxe, conèixer el dispositiu de la bateria no serà superflu i us ajudarà amb les reparacions. Serà molt més fàcil i més barat fer-ho tot tu mateix que anar al centre de l'automòbil.
I per tal d'estudiar millor aquest tema, us recomanem llegir un llibre de text de química per a escoles i universitats. Si coneixeu bé aquesta ciència i heu llegit prou llibres de text, les "Fonts de corrent químic" de Varypaev seria la millor opció. Destaca amb detall tota la teoria del funcionament de les bateries, diverses bateries i piles d'hidrogen.
Conclusió
Hem arribat al final. Resumim. Més amunt, hem analitzat tot allò relacionat amb un concepte com els electròlits: exemples, teoria de l'estructura i propietats, funcions i aplicacions. Un cop més val la pena dir que aquests compostos formen part de la nostra vida, sense els quals els nostres cossos i tots els àmbits de la indústria no podrien existir. Recordes els electròlits de la sang? Gràcies a ells vivim. Què passa amb els nostres cotxes? Amb aquest coneixement, podrem solucionar qualsevol problema relacionat amb la bateria, ja que ara entenem com augmentar la densitat de l'electròlit que hi ha.
És impossible explicar-ho tot, i no ens vam marcar aquest objectiu. Després de tot, això no és tot el que es pot dir sobre aquestes substàncies sorprenents.
